(57)【要約】      （修正有）【課題】研削加工段階に応じて、例えば砥石を回転させる装置を移動量や段階的な定圧力によって切替え制御することにより、精度のよい研削加工をおこなうことのできる精密加工装置および精密加工方法を提供する。【解決手段】砥石ｂを回転させる回転装置６ｂを支持する第二の基台３には、送りねじ４１とナット４２とから少なくとも構成される送りねじ機構４とアクチュエータ５が装着されており、粗研削段階においては、ナット４２の所定量の移動によって回転装置６ｂおよび第二の基台３の移動調整がおこなわれ、超精密研削段階においては、圧力性能の異なる複数の空気圧アクチュエータ５ａ，５ｂを段階的に使用しながら圧力制御により、回転装置６ｂおよび第二の基台３の移動調整がおこなわれる。被研削体ａを回転させる回転装置６ａと第一の基台２との間には姿勢制御装置７が介在している。【選択図】図２
2006181703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研削体を回転させる回転装置および該回転装置を支持する第一の基台と、砥石を回転させる回転装置および該回転装置を支持する第二の基台と、からなる精密加工装置であって、前記第一の基台および／または前記第二の基台には、一方の基台を他方の基台側へ移動可能な移動調整手段が備えられている精密加工装置において、
前記移動調整手段は、前記基台を物理的に移動させる第一の移動調整部と、前記基台に圧力を加えて移動方向に摺動させる第二の移動調整部とからなり、第一の移動調整部と第二の移動調整部とを選択的に選定しながら基台および回転装置の移動量を制御可能としたことを特徴とする精密加工装置。
【請求項２】
前記第一の移動調整部は、送りねじの回転によって該送りねじに螺合されたナットが移動する送りねじ機構からなり、前記第二の移動調整部は、空気圧アクチュエータまたは油圧アクチュエータからなることを特徴とする請求項１に記載の精密加工装置。
【請求項３】
前記第二の移動調整部は、圧力性能の異なる複数の空気圧アクチュエータまたは油圧アクチュエータからなり、第二の移動調整部による基台および回転装置の移動が、選択的に異なる圧力によって制御可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の精密加工装置。
【請求項４】
前記回転装置と前記第一の基台との間、または、前記回転装置と前記第二の基台との間には回転装置の姿勢を制御するための姿勢制御装置が介装されており、前記姿勢制御装置は、Ｘ軸とＹ軸からなる平面内に延びる第一の面材と、該第一の面材に間隔を置いて並列する第二の面材と、からなり、２つの面材において対向するそれぞれの面には凹部が穿設されており、第一の面材と第二の面材の間には、球体がその一部を２つの凹部に収容されながら介装されるとともに、Ｘ軸とＹ軸からなる平面に直交するＺ軸方向に伸張する第一のアクチュエータが介装されており、第二の面材には、Ｘ軸とＹ軸からなる平面内の適宜の方向に伸張する第二のアクチュエータが接続されており、第二の面材は、載置物を載置した姿勢で第一の面材に対して相対的に移動可能に構成されており、前記球体は、弾性変形が可能な接着剤にて第一の面材および／または第二の面材に接着されており、第一のアクチュエータと第二のアクチュエータには、それぞれ圧電素子と超磁歪素子が備えられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の精密加工装置。
【請求項５】
前記砥石には、少なくともＣＭＧ砥石が含まれていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の精密加工装置。
【請求項６】
被研削体を回転させる回転装置および該回転装置を支持する第一の基台と、砥石を回転させる回転装置および該回転装置を支持する第二の基台と、からなる精密加工装置であって、前記第一の基台および／または前記第二の基台には、一方の基台を他方の基台側へ移動可能な移動調整手段が備えられており、移動調整手段は、前記基台を物理的に移動させる第一の移動調整部と、前記基台に圧力を加えて移動方向に摺動させる第二の移動調整部とからなり、第一の移動調整部と第二の移動調整部とを選択的に選定しながら基台および回転装置の移動量を制御可能とした精密加工装置を使用した精密加工方法において、
前記精密加工方法は、被研削体を粗研削することにより中間の被研削体を製作する第一工程と、該中間の被研削体をＣＭＧ砥石によって研削することにより最終の被研削体を製作する第二工程と、からなり、第一工程においては、前記第一の移動調整部によって回転装置および基台の移動調整がおこなわれ、第二工程においては、前記第二の移動調整部によって回転装置および基台の移動調整がおこなわれることを特徴とする精密加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンウエハや磁気ディスク基板など、精密な形状寸法精度や仕上げ面の平坦性が要求される物品の加工をおこなう際に使用される精密加工装置および精密加工方法に係り、特に、研削加工段階に応じて、例えば砥石を回転させる装置を移動量や段階的な定圧力によって切替え制御することにより、精度のよい研削加工をおこなうことのできる精密加工装置および精密加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近時、次世代パワーデバイスは、そのエネルギー損失低減や小型化への要求が高まっており、例えば、エレクトロニクス用半導体の多層化や高密度化などがその一例として挙げられる。これらの要求に対する方策としては、Ｓｉウエハを代表とする半導体ウエハの極薄化、加工表面や加工面内部に転位や格子歪のない加工方法、表面粗度（Ｒａ）をサブｎｍ（サブナノメーター）〜ｎｍ（ナノメーター）レベル、加工面の平坦度をサブμｍ（サブマイクロメーター）〜μｍ（マイクロメーター）、さらにはそれ以下とする加工方法の開発などが考えられる。
【０００３】
自動車産業に目を向けると、自動車のパワーデバイスであるＩＧＢＴ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、インバータシステムの主要なシステムである。今後は、かかるインバータの高性能化や小型化によってハイブリット車の商品性が益々高まることが予想される。そのため、ＩＧＢＴを構成するＳｉウエハの厚さを５０〜１５０μｍ、望ましくは９０〜１２０μｍ程度まで極薄化し、スイッチング損失や定常損失、熱損失の低減が不可欠となってくる。さらには、直径が２００〜４００ｍｍ程度の円形Ｓｉウエハの加工面、もしくは加工表面近傍内部において転位や格子歪などの欠陥をゼロとした完全表面とすること、表面粗度（Ｒａ）をサブナノメーター〜ナノメーターレベル、平坦度をサブマイクロメーター〜マイクロメーターにすることによって、半導体の電極形成工程での歩留まりや、半導体の多層化が向上する。
【０００４】
一般に、上記する半導体の加工工程は、ダイヤモンド砥石による粗研削、ラッピング、エッチング、遊離砥粒を用いたＷｅｔ−ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ／湿式化学機械的研削）など、多工程を要しているのが現状である。かかる従来の加工法では、加工表面に酸化層や転位、格子歪が生じてしまい、完全表面を得ることは極めて困難となる。また、ウエハの平坦度も悪く、加工時もしくは電極形成後のウエハの破損によって歩留まりの低減に繋がる。さらには、従来の加工法では、ウエハの直径が２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍと大きくなるに従い、その極薄化は困難となり、直径が２００ｍｍのウエハの厚さを１００μｍレベルにするための研究が進められているのが現状である。
【０００５】
本発明者等は、上述する従来技術の問題点に鑑み、粗加工から最終の延性モード加工を含む超精密表面加工までを精密ダイヤモンド砥石のみで一貫して効率よくおこなうことのできる精密平面加工機械に関する発明を開示している（特許文献１）。
【０００６】
かかるダイヤモンド砥石を応用した研削加工は、砥石の回転と、砥石を支持する主軸の送りと、被加工体の位置決めの３つの主要な動きが重要となる。これらの動きを精度よくコントロールすることにより精密加工を可能なものとするのであるが、特に、粗加工〜超精密加工までを１つの装置で一貫しておこなうためには、上述の主要な動きのうち、主軸の送りの制御を幅広い範囲で精度よくおこなうことが必要となる。従来の研削加工における主軸の制御は、例えばサーボモータを応用した方式が多用されているが、低圧領域〜高圧領域までを制度よく制御するには十分とは言えず、特に、超精密加工をおこなう低圧領域での加工に対しては十分なものではなかった。
【０００７】
そこで、本発明者等は、特許文献１において、圧力制御をサーボモータと超磁歪アクチュエータの組み合わせによっておこなう精密加工機械を開示している。１０ｇｆ／ｃｍ２以上の圧力範囲においてはサーボモータと圧電アクチュエータにておこない、１０ｇｆ／ｃｍ２〜０．０１ｇｆ／ｃｍ２の圧力範囲においては超磁歪アクチュエータにておこなうことにより、粗加工〜超精密加工までを１つの装置で一貫しておこなうことが可能となる。また、研削用砥石としては、砥粒粒度が３０００番よりも細かいダイヤモンドカップ型砥石を使用するものである。
【０００８】
【特許文献１】特表２０００−１４１２０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の精密加工機械によれば、粗加工〜超精密加工までを１つの装置で一貫しておこなうことが可能となるとともに、極めて高い仕上げ面の加工精度を実現できる。しかし、超精密加工を超磁歪アクチュエータのみでおこなおうとすると、超磁歪素子から生じる発熱の影響が精密加工装置の他の構成部材におよび、該他の構成部材の損傷に繋がるといった問題がある。
【００１０】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、砥石または被研削体の移動量に基づく制御と圧力（定圧）に基づく制御を組み合わせることにより、効率的かつ極めて高精度の研削加工を実現することのできる精密加工装置と精密加工方法を提供することを目的とする。また、圧力制御に際しては、超磁歪アクチュエータを使用することなく、加工段階に応じた多段階の圧力制御をおこなうことにより、加工段階において発熱の問題を勘案する必要がなく、かつ加工精度の向上を図ることのできる精密加工装置と精密加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成すべく、本発明による精密加工装置は、被研削体を回転させる回転装置および該回転装置を支持する第一の基台と、砥石を回転させる回転装置および該回転装置を支持する第二の基台と、からなる精密加工装置であって、前記第一の基台および／または前記第二の基台には、一方の基台を他方の基台側へ移動可能な移動調整手段が備えられている精密加工装置において、前記移動調整手段は、前記基台を物理的に移動させる第一の移動調整部と、前記基台に圧力を加えて移動方向に摺動させる第二の移動調整部とからなり、第一の移動調整部と第二の移動調整部とを選択的に選定しながら基台および回転装置の移動量を制御可能としたことを特徴とする。
【００１２】
本発明は、１台の精密加工装置により、被研削体の粗研削〜超精密研削までを一貫しておこなうことのできる精密加工装置に関するものである。被研削体を把持しながら回転させる回転装置、および、砥石を回転させる回転装置は、それぞれの基台上に載置されており、被研削体の加工表面と砥石面とが対向配置されている。被研削体と砥石双方の軸心が一致するように双方が位置決めされており、例えば、被研削体を回転させる回転装置を支持する第一の基台が固定されていて、砥石を回転させる回転装置を支持する第二の基台が、加工段階に応じて第一の移動調整部や第二の移動調整部によって移動量を制御されながら、研削加工が実施される。
【００１３】
第一の移動調整部は、基台を物理的に移動させる移動量に基づく制御機構であり、第二の移動調整部は、基台に一定の圧力を加圧することによって移動させる定圧力制御機構である。効率的な超精密研削を実施するためには、最初の粗研削段階においては研削量や研削効率等の観点から基台を移動量に基づいて制御することが好ましく、最終の仕上げ段階（超精密研削段階）においては、段階的に変化する定圧力制御にて仕上げをおこなうことが好ましい。そのため、本発明は、第一の移動調整部と第二の移動調整部を備えた精密加工装置とすることにより、上記するように１台の装置にて一貫した研削加工を実施可能としたものである。
【００１４】
また、本発明による精密加工装置の他の実施形態において、前記第一の移動調整部は、送りねじの回転によって該送りねじに螺合されたナットが移動する送りねじ機構からなり、前記第二の移動調整部は、空気圧アクチュエータまたは油圧アクチュエータからなることを特徴とする。
【００１５】
例えば、砥石を回転させる回転装置を支持する第二の基台が被研削体側へ移動する実施形態においては、該第二の基台には、いわゆる送りねじ機構（第一の移動調整部）を構成する送りねじとナットが装着され、さらには、適宜の空気圧アクチュエータまたは油圧アクチュエータ（第二の移動調整部）が装着された構成となっている。この送りねじ機構は、サーボモータの出力軸に取り付けられた送りねじにナットが移動可能に螺合され、このナットが第二の基台に装着されることにより、第二の基台が制御可能な移動をおこなうこととなる。かかる送りねじ機構とアクチュエータは、研削加工段階に応じて適宜選択できるようになっており、例えば初期の粗研削段階においては被研削体表面がある程度の面粗さとなるまでは送りねじ機構が選択され、ナットの適宜の移動量に応じて第二の基台上の回転装置（砥石）が被研削体側へ移動することで被研削体表面の粗研削が実施される。被研削体表面の粗研削が終了すると、移動量に基づく制御から超精密研削段階における定圧制御へと制御態様の切替えがおこなわれる。この制御態様の切替えの際には、使用される砥石が超精密研削用の砥石に交換される。超精密研削段階においては、極めて微小な研削によって被研削体表面の仕上げがおこなわれることから、この研削加工は、一定の圧力で砥石を被研削体表面に加圧していく必要がある。そこで、本発明においては、例えば空気圧アクチュエータまたは油圧アクチュエータを使用することで、この定圧制御を実現しようとするものである。
【００１６】
本発明の精密加工装置によれば、送りねじ機構と空気圧または油圧アクチュエータを選択的に使用することができるため、粗研削〜超精密研削までのすべての研削加工を１台の精密加工装置にて一貫しておこなうことが可能となる。また、定圧制御が要求される超精密研削段階においては、公知の空気圧または油圧アクチュエータが使用されるため、かかるアクチュエータ稼動時に発熱などの問題は生じ得ず、さらには安価に装置を製造することが可能となる。
【００１７】
また、本発明による精密加工装置の他の実施形態において、前記第二の移動調整部は、圧力性能の異なる複数の空気圧アクチュエータまたは油圧アクチュエータからなり、第二の移動調整部による基台および回転装置の移動が、選択的に異なる圧力によって制御可能であることを特徴とする。
【００１８】
超精密研削段階においては、最終仕上げ段階までの間で、被研削体表面が延性モードに入るように調整しつつ、徐々に圧力を落としながら、多段階の定圧研削を実施する必要がある。
【００１９】
本発明においては、上記する多段階の定圧研削を、それぞれの定圧研削段階に応じた圧力性能を有するアクチュエータによって実施しようとするものである。例えば一例として１０ｍｇｆ／ｃｍ２〜５０００ｇｆ／ｃｍ２の圧力制御が要求される場合においては、１０ｍｇｆ／ｃｍ２〜３００ｇｆ／ｃｍ２までを低圧領域、３００ｇｆ／ｃｍ２〜５０００ｇｆ／ｃｍ２までを高圧領域とする２段階に分け、それぞれの圧力領域にて使用される２種類のアクチュエータを選択可能に装着した構成とすることができる。
【００２０】
また、本発明による精密加工装置の他の実施形態において、前記回転装置と前記第一の基台との間、または、前記回転装置と前記第二の基台との間には回転装置の姿勢を制御するための姿勢制御装置が介装されており、前記姿勢制御装置は、Ｘ軸とＹ軸からなる平面内に延びる第一の面材と、該第一の面材に間隔を置いて並列する第二の面材と、からなり、２つの面材において対向するそれぞれの面には凹部が穿設されており、第一の面材と第二の面材の間には、球体がその一部を２つの凹部に収容されながら介装されるとともに、Ｘ軸とＹ軸からなる平面に直交するＺ軸方向に伸張する第一のアクチュエータが介装されており、第二の面材には、Ｘ軸とＹ軸からなる平面内の適宜の方向に伸張する第二のアクチュエータが接続されており、第二の面材は、載置物を載置した姿勢で第一の面材に対して相対的に移動可能に構成されており、前記球体は、弾性変形が可能な接着剤にて第一の面材および／または第二の面材に接着されており、第一のアクチュエータと第二のアクチュエータには、それぞれ圧電素子と超磁歪素子が備えられていることを特徴とする。
【００２１】
第一の面材、第二の面材ともに、第二の面材上に載置される載置物の重量を支持し得る強度を備えた材料から成形されるとともに、非磁性材料から成形されることが好ましい。かかる材料としては、特に限定するものではないが、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ）が使用できる。一方、第一の面材と第二の面材の間に介装される球体も同様に、少なくとも第二の面材上に載置される載置物の重量を支持し得る強度を備えた材料からなることを要する。したがって、載置物の設定重量に応じて球体を形成する材料も適宜選定できるが、一例として、金属が挙げられる。第一の面材と第二の面材のうち、球体と当接する箇所には球体の形状に応じた凹部が穿設されており、双方の凹部に球体の一部が収容された姿勢で面材間に球体が介装設置される。この凹部の寸法（穿設深さや開口径など）は、面材や球体の大きさ、要求される姿勢制御精度などによって適宜調整される。尤も、双方の凹部に球体の一部が収容された姿勢で、少なくとも第一の面材と第二の面材との間に所定の間隔が保持されていることが要求される。この間隔は、例えば第二の面材が第二のアクチュエータの作動によって傾斜した場合でも、第二の面材が第一の面材に当接しないような適宜の離隔である。
【００２２】
２つの面材の対向する箇所に穿設された凹部表面と球体は、接着剤にて接続できる。かかる接着剤は、常温にて弾性性能を有する材質を備えた適宜の接着剤が使用でき、一例を挙げれば、弾性エポキシ系接着剤や、弾性接着剤などが使用できる。例えば、引張りせん断接着強さが１０〜１５Ｍｐａ、減衰係数が２〜７Ｍｐａ・ｓｅｃで好ましくは４．５Ｍｐａ・ｓｅｃ、接着材のばね定数が、８０〜１３０ＧＮ／ｍで好ましくは１００ＧＮ／ｍの接着剤を使用することができ、接着剤の厚みを０．２ｍｍ程度に設定することができる。なお、双方の面材に凹部が穿設される実施形態のほかに、第一の面材、第二の面材いずれか一方のみに凹部が穿設されていて、この凹部に球体の一部が収容され、凹部表面と球体を接着剤にて接着する実施形態であってもよい。
【００２３】
姿勢制御装置の一実施形態としては、第一の面材と第二の面材との間に球体と２つの第一のアクチュエータが平面的には任意の３角形の各頂点に位置するように介装配置されていて、第二の面材における四方の端辺のうちの少なくとも１辺には第二のアクチュエータが装着された実施形態がある。かかる少なくとも３つのアクチュエータにより、第二の面材は、載置物を直接載置した姿勢で、第一の面材に対して相対的に３次元的な変位を実現することができる。この第二の面材の変位に際しては、その下方で該第二の面材を支持する球体表面の接着剤が弾性変形することにより、第二の面材の変位がほぼ無拘束状態の自由変位を実現できる。
【００２４】
第一のアクチュエータ、第二のアクチュエータともに、少なくとも超磁歪素子を備えたアクチュエータであることが好ましい。ここで、超磁歪素子とは、ジスプロニウムやテルビウムなどの希土類金属と鉄やニッケルの合金のことであり、棒状の超磁歪素子の周りのコイルに電流が印加されることによって生じる磁界により、該素子が１μｍ〜２μｍ程度伸びることができる。また、この超磁歪素子の性質としては、２ｋＨｚ以下の周波数領域において使用でき、ピコ秒（１０−１２秒）の応答速度を備えている。さらに、その出力性能は、１５〜２５ｋＪ／ｃｍ３程度であり、例えば、後述する圧電素子の約２０〜５０倍の出力性能を有する。一方、圧電素子は、チタン酸ジルコン酸塩（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）などからなる。圧電素子の性質としては、１０ｋＨｚ以上の周波数領域にて使用でき、ナノ秒（１０−９秒）の応答速度を備えている。出力パワーは超磁歪素子に比して小さく、比較的軽荷重領域での高精度な位置決め制御（姿勢制御）に好適である。なお、ここでいう圧電素子には電歪素子も含まれている。
【００２５】
また、球体の表面には上記する接着剤による被膜が形成されていて、該球体と該接着剤による被膜は、双方が相対的に可動できるように縁切りされた実施形態であってもよい。接着剤は、既述する弾性変形が可能な材料からなり、例えば金属球体の表面にこの接着剤からなる被膜が形成できる。ここで、第二の面材の動きに対する拘束度をより緩和するために、本発明では、球体とその外周の接着剤とを縁切りする構成とする。例えば、球体の表面にグラファイト被膜を形成しておき、このグラファイト被膜の外周に接着剤からなる被膜を形成させる。接着剤とグラファイト被膜とは接着せず、実質的には縁切りされた構造となるため、第二の面材が変位する際には、球体は無拘束状態で定位置で回転する一方で、その表層の接着剤は、該球体からの拘束を受けることなく第二の面材の変位に呼応した弾性変形をすることになる。本発明においては、第一の面材および第一の面材と接着する接着剤、および、接着剤と接着しない球体（または球体表面被膜）を実現できる適宜の面材、接着剤、球体（の表面被膜）から構成される。第二の面材の動きに対する拘束度がさらに緩和されることになり、姿勢制御装置に要求される極めて微小でかつリアルタイムな動きを実現することが可能となる。さらには、第二の面材の拘束度が無拘束に近いため、第二の面材を変位させる際に第二のアクチュエータに要求されるエネルギーも従来に比べて低減させることが可能となる。
【００２６】
本発明によれば、載置物の重量や、研削加工段階に応じて、各アクチュエータにおける超磁歪素子と圧電素子とを適宜使い分けることができ、したがって、超磁歪素子のみの場合の発熱の影響を格段に緩和しながら、極めて精度のよい回転装置の姿勢制御をおこないながら研削加工をおこなうことが可能となる。対向する回転装置双方の軸心のずれは、姿勢制御装置にて適宜修正しながら研削加工がおこなわれる。超磁歪素子、圧電素子ともにその応答速度が速いことから、本発明では、原則として圧電素子を使用しながら、必要に応じて超磁歪素子を使用するといった双方の使い分けを適宜おこなうものである。なお、かかる軸心の微小なずれは常時検知されるようになっており、検知された微小なずれは、コンピュータによって数値処理され、超磁歪素子（超磁歪アクチュエータ）や圧電素子（圧電アクチュエータ）の必要伸縮量として各アクチュエータに入力される。
【００２７】
また、本発明による精密加工装置の他の実施形態において、前記砥石には、少なくともＣＭＧ砥石が含まれていることを特徴とする。
【００２８】
ＣＭＧ砥石（固定砥粒）とは、最終研削をＣＭＧ法（Ｃｈｅｍｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｇｒｉｎｄｉｎｇ）でおこなう際に使用される砥石のことであり、かかる方法は、従来のエッチングやラッピング、ポリッシングなどの多工程をＣＭＧ砥石を使用した研削工程のみでおこなうものであり、現在その開発が進められている技術である。研削加工に際しては、粗研削段階ではダイヤモンド砥石を使用し、超精密研削段階ではＣＭＧ砥石を使用するといった砥石の使い分けがおこなわれる。
【００２９】
また、本発明による精密加工方法は、被研削体を回転させる回転装置および該回転装置を支持する第一の基台と、砥石を回転させる回転装置および該回転装置を支持する第二の基台と、からなる精密加工装置であって、前記第一の基台および／または前記第二の基台には、一方の基台を他方の基台側へ移動可能な移動調整手段が備えられており、移動調整手段は、前記基台を物理的に移動させる第一の移動調整部と、前記基台に圧力を加えて移動方向に摺動させる第二の移動調整部とからなり、第一の移動調整部と第二の移動調整部とを選択的に選定しながら基台および回転装置の移動量を制御可能とした精密加工装置を使用した精密加工方法において、前記精密加工方法は、被研削体を粗研削することにより中間の被研削体を製作する第一工程と、該中間の被研削体をＣＭＧ砥石によって研削することにより最終の被研削体を製作する第二工程と、からなり、第一工程においては、前記第一の移動調整部によって回転装置および基台の移動調整がおこなわれ、第二工程においては、前記第二の移動調整部によって回転装置および基台の移動調整がおこなわれることを特徴とする。
【００３０】
例えば、第一工程においてはダイヤモンド砥石による粗研削がおこなわれ、第二工程においてはＣＭＧ砥石による超精密研削がおこなわれる。
【００３１】
第一工程を実施する第一の移動調整部とは、既述するように、例えば、送りねじ機構などにより、第二の基台を第一の基台側へ物理的に一定量移動させることによって粗研削をおこなう制御機構である。
【００３２】
第二工程を実施する第二の移動調整部とは、既述するように定圧力制御を段階的に実施する機構であり、これは、各圧力段階ごとに適宜の空気圧アクチュエータまたは油圧アクチュエータが選択されることによって実現できる。
【発明の効果】
【００３３】
以上の説明から理解できるように、本発明の精密加工装置および精密加工方法によれば、送りねじ機構などの第一の移動調整部による移動量に基づく制御と、空気圧アクチュエータまたは油圧アクチュエータなどの第二の移動調整部による多段階的な定圧制御とを選択的に選定しながら粗研削〜超精密研削までを一貫しておこなうことができるため、効率的かつ精度のよい研削加工を実現することができる。また、本発明の精密加工装置によれば、球体が２枚の面材間に介装されてなる姿勢制御装置が研削加工途中の回転装置の姿勢を適宜修正するため、研削精度を一層高めることができる。さらに、本発明の精密加工装置は、超精密研削段階における圧力制御を超磁歪アクチュエータにておこなう構成となっていないため、研削加工段階における発熱の問題を勘案する必要はない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の精密加工装置の一実施形態を示した側面図を、図２は、移動調整手段を示した斜視図を、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図を、図４は、図２のＩＶ−ＩＶ矢視図をそれぞれ示している。図５は、姿勢制御装置の一実施形態を示した平面図を、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ矢視図を、図７は、図５のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視図をそれぞれ示している。なお、図示する実施形態においては、空気圧アクチュエータを使用しているが、これは油圧アクチュエータであってもよく、また圧力制御に応じて３基以上のアクチュエータを備えた構成であってもよい。
【００３５】
図１は、精密加工装置１の一実施形態を示したものである。精密加工装置１は、被研削体ａを真空吸引した姿勢で回転させる回転装置６ａと該回転装置６ａを支持する第一の基台２と、砥石ｂを回転させる回転装置６ｂを支持する第二の基台３と、この第二の基台３を水平方向に移動させる移動調整手段、およびかかる第一の基台２と第二の基台３を下方から支持する台座９とから大略構成される。なお、砥石ｂは、粗研削段階では、ダイヤモンド砥石を使用し、超精密研削段階ではＣＭＧ砥石を使用するのが好ましい。
【００３６】
第一の基台２と回転装置６ａとの間には、姿勢制御装置７が介在している。また、移動調整手段は、第二の基台３を移動量に基づいて制御するための送りねじ機構４と、第二の基台３を圧力制御するための空気圧アクチュエータ５とから構成されている。この送りねじ機構４と空気圧アクチュエータ５は、それぞれコントローラ８に接続されており、研削加工段階に応じて、適宜切替え可能な構成となっている。なお、図示しない位置検知センサが被研削体ａと砥石ｂとの位置を常時検知する構成となっており、この検知された位置情報に基づいて、後述する姿勢制御装置７を構成する圧電素子や超磁歪素子が伸張することにより、回転装置６ａ，６ｂ双方の軸心のずれを適宜修正できるようになっている。
【００３７】
送りねじ機構４は、サーボモータ４３の出力軸に装着された送りねじ４１にナット４２が回転可能に螺合しており、このナット４２が第二の基台３に取り付けられている。なお、ナット４２と第二の基台３は、着脱可能な構成となっている。
【００３８】
図２は、移動調整手段を詳細に示した図である。第二の基台３は、側面視がＬ型形状に成形されており、その一側は回転装置６ｂを載置する側面であり、他側は送りねじ機構４を構成するナット４２が直接取り付けられる板材４４とピン部材４５を介して接合される側面である。
【００３９】
第二の基台３を構成する前記他側３２には、送りねじ４１が遊嵌する貫通孔が穿設されており、遊嵌する送りねじ４１の左右には、それぞれ空気圧アクチュエータ５ａ，５ｂが固着されている。この空気圧アクチュエータ５ａ，５ｂは、圧力性能の異なるアクチュエータであり、例えば、空気圧アクチュエータ５ａが相対的に低圧領域を分担するアクチュエータであり、空気圧アクチュエータ５ｂが相対的に高圧領域を分担するアクチュエータである。例えば、空気圧アクチュエータ５ａにおいては、シリンダ５ａ１の内部にピストンロッド５ａ２が摺動可能に内臓されている。
【００４０】
研削加工の初期の粗研削段階においては、ナット４２と接続された板材４４と第一の基台３がピン部材４５にて接続されており、したがって、サーボモータ４３の駆動に応じてナット４２が一定量移動され、このナット４２の移動に応じて第二の基台３（に載置する回転装置６ｂ）も一定量移動することができる。
【００４１】
一方、粗研削の後の超精密研削段階に際しては、ピン部材４５が取り外されることによって板材４４と第二の基台３の接続が解除される。この状態で、今度は高圧領域を分担する空気圧アクチュエータ５ｂを駆動させる。空気圧アクチュエータ５ｂを構成するピストンロッド５ｂ２の一端が板材４４を押圧しながら、すなわち、板材４４に反力を取りながら、第二の基台３は第一の基台２側へ押出されることになる。この板材４４はナット４２と固着しており、ナット４２は送りねじ４１に螺合した構成となっているため、第二の基台３を押出すに十分な反力受けとなり得る。超精密研削加工においては、高圧領域における段階的な定圧研削をおこなった後に、使用するアクチュエータを低圧領域を分担する空気圧アクチュエータ５ａに切替え、高圧領域の場合と同様に、低圧領域における段階的な定圧研削をおこなっていく。
【００４２】
図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図であるが、空気圧アクチュエータ５ａ，５ｂそれぞれのピストンロッド５ａ２，５ｂ２が、板材４４に反力を取りながら第二の基台３が前方へ押出されることが理解できる。
【００４３】
一方、図４は図２のＩＶ−ＩＶ矢視図であり、第二の基台３（の他側３２）とナット４２と固着する板材４４とがピン部材４５，４５によって着脱可能となっていることが理解できる。
【００４４】
図５は姿勢制御装置７の一実施形態を、図６は図５のＶＩ−ＶＩ矢視図をそれぞれ示している。姿勢制御装置７は、上方が開放された筐体からなり、該筐体は、第一の面材７１と側壁７１１とから構成される。かかる筐体は、例えばＳＵＳ材から成形することができる。対向する側壁７１１，７１１の間には第二の面材７２が第二のアクチュエータ７５、７５を介して装着されている。ここで、第一の面材７１と第二の面材７２との間には、第二の面材７２が傾斜した場合でも双方が干渉しない程度の適宜の間隔Ｌが確保されている。図示する実施形態では、第二のアクチュエータ７５のほかに、第二の面材７２をＸ−Ｙ平面内に保持するために、複数のバネ７７，７７，…が側壁７１１と第二の面材７２の間に介装されている。
【００４５】
第二のアクチュエータ７５は、適宜の剛性を有する軸部材７５ｃと、超磁歪素子７５ａおよび圧電素子７５ｂから構成されている。なお、超磁歪素子７５ａは、素子のまわりに図示しないコイルが装着されており、コイルに電流が流れることにより生じる磁界によって伸張可能に構成されている。また、圧電素子７５ｂも、電圧が作用することによって該素子が伸張可能となっている。さらに、図示しないが、第二の面材７２上の載置物（例えば、回転装置など）の位置を検出するセンサによる載置物の位置情報に応じて、超磁歪素子７５ａまたは圧電素子７５ｂに適宜の電流ないしは電圧が作用できるように構成されている。なお、超磁歪素子７５ａと圧電素子７５ｂの作動の選択は、第二の面材７２を比較的大きく動かす必要があるか否か等、加工段階に応じて適宜選択できるように構成されている。ここで、超磁歪素子７５ａとしては、従来と同様にジスプロニウムやテルビウムなどの希土類金属と鉄やニッケルの合金から成形することができ、圧電素子７５ｂとしては、チタン酸ジルコン酸塩（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）などから成形できる。
【００４６】
例えば、姿勢制御装置７を第一の基台２上に載置した場合には、Ｘ−Ｙ平面（水平方向）に第二の面材７２を変位させる際には第二のアクチュエータ７５、７５を作動させ、Ｚ方向（鉛直方向）に変位させる際には、第一のアクチュエータ７６，７６を作動させる。ここで、第一のアクチュエータ７６も第二のアクチュエータ７５と同様に、適宜の剛性を有する軸部材７６ｃと、超磁歪素子７６ａおよび圧電素子７６ｂから構成されている。
【００４７】
第一の面材７１と第二の面材７２との間には、第一のアクチュエータ７６，７６のほかに、球体７３が介装されている。かかる球体７３を詳細に説明した断面図が図７である。
【００４８】
球体７３は、例えば金属からなる球状のコア部７３ａと、該コア部７３ａの外周に設けられ、例えばグラファイトからなる被膜７３ｂとから構成できる。さらに、被膜７３ｂの外周には常温で弾性変形が可能な接着剤７４からなる被膜が形成されている。ここで、接着剤７４は、例えば、引張りせん断接着強さが１０〜１５Ｍｐａ、減衰係数が２〜７Ｍｐａ・ｓｅｃで好ましくは４．５Ｍｐａ・ｓｅｃ、接着材のばね定数が、８０〜１３０ＧＮ／ｍで好ましくは１００ＧＮ／ｍの接着剤（弾性エポキシ系接着剤）を使用することができ、接着剤の厚みを０．２ｍｍ程度に設定することができる。
【００４９】
第一の面材７１および第二の面材７２の球体７３と当接する箇所には、それぞれ凹部７１ａ，７２ａが刻設されており、球体７３は、それぞれの凹部７１ａ，７２ａ内にその一部が収容されることで位置決めされる。また、球体７３の外周を被覆する接着剤６は、凹部２１ａ，２２ａと接着している一方で、球体７３（を構成する被膜７３ｂ）と縁切りされており、球体７３は接着剤７４の被膜内で自由に回転することができる。
【００５０】
第二の面材７２上に回転装置６ａが載置された姿勢で、第一のアクチュエータ７６および第二のアクチュエータ７５が作動しながら回転装置６ａの姿勢制御をおこなう際には、接着剤７４からなる被膜が弾性変形することにより、第二の面材７２の３次元的な自由変位を許容することが可能となる。この際、球体７３を構成するコア部材７３ａは回転装置６ａの重量を支持しながらも、その外周の接着剤７４からなる被膜を拘束することなく、定位置で回転しているのみである。したがって、球体７３は実質的には回転装置６ａの重量を支持するに過ぎず、球体７３と接着剤７４は相互に接着していないことから、第二の面材７２の変位に応じて、接着剤７４は球体７３に何らの拘束も受けることなく自由に弾性変形することができる。したがって、第二の面材７２は、接着剤７４の弾性変形による反作用力程度の極めて微小な拘束しか受けないことになる。
【００５１】
上記する精密加工装置１を使用した被研削体の精密加工方法についてその概略を説明する。
【００５２】
本発明の被研削体の研削方法（精密加工方法）は、精密加工装置１のみを使用して粗研削〜最終の超精密研削までを一貫しておこなうものである。まず、砥石ｂとしてダイヤモンド砥石を使用し、送りねじ機構４により、第二の基台３（回転装置６ｂ）を所定量移動しながら被研削体ａの粗研削をおこない、中間の被研削体を製作する（第一工程）。なお、この粗研削段階においては、砥石ｂと被研削体ａの位置が検知されており、双方の軸心がずれた際には姿勢制御装置７にて位置の修正がおこなわれる。
【００５３】
次に、砥石ｂをダイヤモンド砥石からＣＭＧ砥石に変更し、今度は、空気圧アクチュエータ５ｂを稼動させ、比較的高圧領域内の一定圧力を段階的に変化させながら被研削体ａにＣＭＧ砥石を押圧していく。研削の最終段階においては、空気圧アクチュエータ５ａに切替え、低圧領域内の一定圧力を同様に段階的に変化させながら被研削体ａの最終研削をおこなう。なお、この超精密研削段階においても、砥石ｂと被研削体ａの位置が常時検知されており、双方の軸心がずれた際には姿勢制御装置７にて位置の修正がおこなわれる。
【００５４】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の精密加工装置の一実施形態を示した側面図。
【図２】移動調整手段を示した斜視図。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ矢視図。
【図５】姿勢制御装置の一実施形態を示した平面図。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ矢視図。
【図７】図５のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視図。
【符号の説明】
【００５６】
１…精密加工装置、２…第一の基台、３…第二の基台、４…送りねじ機構（第一の移動調整部）、４１…送りねじ、４２…ナット、４３…サーボモータ、５，５ａ，５ｂ…空気圧アクチュエータ（第二の移動調整部）、６ａ，６ｂ…回転装置，７…姿勢制御装置、８…コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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